情報科学入門
#8 メモリの発展・新しいコンピュータ
記憶素子（メモリ）
•
主記憶装置
•
高速性
磁気記憶装置は一般に低速
→補助記憶装置に
•
ランダムアクセス 中央処理装置 (CPU)
演算装置
記憶装置
入力装置 制御装置 出力装置
メモリの歴史
•
状態を保持できるものなら何でも
•
水銀遅延線
• CRT
メモリ
•
磁気ドラム
•
コアメモリ
コアメモリ (1950 〜 70 頃 )
CDC 6600 (1964) core memory plane, 4096 bits (64 x 64)
10.5cm 0.7mm
コアメモリ (1950 〜 70 頃 )
35cm
DRAM (Dynamic RAM)
16bit (4bit x 4word)
の
DRAMセル回路
(1 or 0)
選択
(1 or 0)
データ
される 蓄電
コンデンサ トランジスタ
用語（
RAM）については後述
SRAM (Static RAM)
•
論理回路によって値を記憶する機能を構成
•
高速、低消費電力だが高価
•
高速性を要求される場面（キャッシュ等）で利用
RS
フリップフロップ
・通常は
S, Rともに
0・
Sが
1になると
Qは
1になる
・
Rが
1になると
Qは
0になる
・通常状態では
S, Rによる結果として 設定された状態を記憶する
R
S
Q
Q
NOR
ゲート
OR
＋ は
NOTゲートと等価
フリップ・フロップ（ flip flop ）
•
組み合わせ回路：入力によって一意に結果を得るもの 加算器など
•
順序回路：状態によって動作が異なるもの
内部的に「状態」という入力を保持している カウンタ、フリップフロップ
•
メモリ：状態を保持するもの
最後に
0 or 1のどちらを書き込んだか？
RS
フリップフロップ
・通常は
S, Rともに
0・
Sが
1になると
Qは
1になる
・
Rが
1になると
Qは
0になる
・通常状態では
S, Rによる結果として 設定された状態を記憶する
R
S
Q
Q
ROM (Read Only Memory)
•
（主として）半導体によるメモリの一種 書き替え不可能
製造時に固定
•
マスク
ROM焼き付ける回路パターンで内容を決める 大量生産向け
•
不揮発性
起動時に実行するプログラム
(*)等の保存場所として利用
（
*PC用語としては
BIOSなどと呼ぶ）
PROM (Programmable ROM)
•
消去・書き込みが可能 ヒューズタイプ
• EPROM (Erasable PROM)
紫外線
電気式
(EEPROM, Electrically EPROM)• RAM
としては使えない
書き替え所要時間が長い
書き込み制限回数が低い
UV-EPROMFlash Memory
• EEPROM
（電気的に書き替え可能な
ROM）の改良
• 1980,
舛岡富士雄（東芝）による発明
•
大容量・安価（
≒需要が大きい）
•
不揮発
•
欠点
ブロック単位の書き替え
書き込み回数制限（数万回程度）
•
補助記憶として
HDDを猛追中
多値
(0 or 1ではない
)の製品あり
Flash Memory
2012 MacBook Air, SSD 128GB
Flash Memory
•
低価格・大容量化の最中
•
そろそろディスクと競合
• “2010
年
100GB 1万円
”用語の問題： RAM, ROM
• RAM
（
Random Access Memory）
任意の位置にあるメモリの読 み出し
書き替え可能 揮発性
• ROM
（
Read Only Memory） 読み出し専用メモリ
ランダムアクセス可能 不揮発性
• PROM
（
Programmable ROM）
通常時は読み出し専用として 利用
特殊な処置（大電流等）に よって書き替え可能
不揮発性
• Flash Memory
書き替えが高速かつ容易 不揮発性
補助記憶装置としての利用
ROM, RAMという語で厳密な機
能の分類を行うことは難しい
記憶装置の階層構造
•
使い分け
二種類の記憶装置
•
補助記憶装置（ハードディスク）
不揮発性：プログラムやデータ の保存場所
データを利用する時はメモリに 移す
•
主記憶（メモリ）
高速性：実行中のプログラム、
作業データを格納
中央処理装置 (CPU)
演算装置
記憶装置
制御装置
メモリの階層構造
数本〜数百本
数百
MB〜
GB数百
GB〜
TB交換したメ ディアの数だけ 容量
中央処理装置 (CPU)
演算装置
レジスタ
(SRAM)制 御 装 置
メモリ
(DRAM)ハードディスク
テープドライブ バスによる接続
主記憶装置
補助記憶装置
（オンライン）
用途・分類
データ記録用
バックアップ
・保存用 補助記憶装置
（オフライン）
演算結果保持 少量
大容量
CPU埋め込み
交換したメ ディアの数だけ
bit
単価 高価
安価
4GB=3000円
2TB=6000
円
キャッシュメモリの役割
• Cache
（
Cashではない）
•
主記憶装置に透過的に機能
メモリの内容を覚えられるだけ 覚えておこう（すると遅い主記 憶に聞かずに済む）
•
少量だが高速
Core i7
では
8MB程度
•
メモリ利用の局所性を利用
プログラムは同じところを頻繁 に読み書きする事が多い
中央処理装置 (CPU)
演算装置
制御装置
記憶装置
キャッシュ
キャッシュについてもう少し
•
原理
1.
大量だが低速なデータのコピーを
2.少量でも高速なところに配置
•
目的
アクセス時間（遅延）の短縮
•
条件
1.
更新が少ない（コピーで良い）
2.
繰り返し読み出す必要がある
処理装置
大量記憶装置
（低速）
高速記憶装置
（少量）
PC
メモリ以外のキャッシュの例
Web
ブラウザ
Web
サイト
（インターネット）
キャッシュ
（ハードディスク）
ディスクドライブ
（
I/Oインタフェイス）
PCディスク キャッシュ
（
SRAM）
ミリ秒単位 数十
MB秒単位
? PetaByte
μ
秒単位 数十
MBミリ秒単位
数百
GB/数
TBメモリの階層構造
数本〜数百本
数百
MB〜
GB数百
GB〜
TB容量
中央処理装置 (CPU)
演算装置
レジスタ
(SRAM)制 御 装 置
メモリ
(DRAM)ハードディスク
テープドライブ
主記憶装置
補助記憶装置
（オンライン）
用途・分類
データ記録用
バックアップ
・保存用 補助記憶装置
（オフライン）
演算結果保持 少量
大容量
CPU埋め込み
4GB=3000
円
2TB=6000
円
交換したメ ディアの数だけ 交換したメ
ディアの数だけ
bit
単価 高価
安価
ハードディスク
キャッシュメモリ
数十
KBキャッシュメモリ
数
MBメモリの階層構造
数本〜数百本
数百
MB〜
GB数百
GB〜
TB容量
中央処理装置 (CPU)
演算装置
レジスタ
(SRAM)制 御 装 置
メモリ
(DRAM)ハードディスク
テープドライブ
主記憶装置
補助記憶装置
（オンライン）
用途・分類
データ記録用 補助記憶装置
（オフライン）
演算結果保持 少量
CPU
埋め込み
bit
単価 高価
ハードディスク
キャッシュメモリ
数十
KBキャッシュメモリ
数
MBフラッシュメモリ ネットワーク
4GB=3000円
2TB=6000
円
Flash つきハードディスク
• 2010.5 Seagate
が
4GBの
Flash
メモリつきハードディス クを出荷
• Momentus XT
•
現行
(2012) 750GBモデル
2.5inch, 7200rpm32MB cache, 8GB Flash
抵抗変化型メモリ (ReRAM, RRAM)
•
金属酸化物の抵抗値による記憶（原理解明は完全でない）
低消費電力（書き込み
1μA未満）
大容量 不揮発性
非破壊読み出し（リフレッシュ不要）
三次元配置が容易
• NAND Flash
を代替する補助記憶として有望
64Mbit品が
ISSCC 2010に登場（
Unity社）
書き替え回数
5000回程度に（超多値
NAND並）
Conductive metal oxide : CMO
金属酸化物
抵抗変化型メモリ (ReRAM, RRAM)
電流の流れ具合（抵 抗値）で
1,0を判断 配線
配線
CMOx
素子
TO : トンネル酸化膜 CMO : 金属酸化物
電圧
両端に正あるいは負の電圧を加えること
で抵抗値が大きく変化し、その状態が固
定される性質を利用
MRAM （ Magnetoresistive RAM ）
•
磁気による記憶（スピントロニクスの応用）
高速
大容量・低コスト 不揮発性
非破壊読み出し（リフレッシュ不要）
書き替え回数制限なし
• 2006.7
に
Freescaleが一般向けに量産
4Mbit (16bit x 256K), 35ns•
主記憶・補助記憶として有望
（
Magnetoresistive：磁気抵抗
, MR）
同一方向 のスピン
異なる方向 のスピン
抵抗＝少 電流＝大
抵抗＝大 電流＝少
強磁性体層 絶縁層 強磁性体層
MRAM （ Magnetoresistive RAM ）
電流の流れ具合（抵 抗値）で
1,0を判断 配線
配線
TMR
素子
MRAM 最初の製品化
2012.6
バッファローメモリ
による
ESEC2012での展示
新世代のメモリ
•
不揮発性
「起動」という概念の変化 回転メディアの退場
•
新しい技術
まだ底を試していない
•
